Отдел сверхпроводящих и мезоскопических структур

Перейти к контенту

Главное меню:

Исследования

О. Г. Турутанов (рук. группы), В. Ю. Ляхно, А. П. Бойченко

Стохастический резонанс в ВЧ СКВИДах и сверхпроводящих цепях

Стохастический резонанс (СР) – это всеобщее парадоксальное явление упорядочения различных динамических и пороговых систем под действием шума определенной интенсивности, что делает их более чувствительными к слабым периодическим сигналам.
Учитывая широкий диапазон применения сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИДов) для высокочувствительных измерений в промышленности, биомедицинских, геологических, физических исследованиях и т.п., мы изучаем проявления СР в сверхпроводящих квантовых интерферометрах с одним джозефсоновским контактом (ВЧ СКВИДах) для того, чтобы выявить оптимальный набор параметров СКВИДа и сигнала, которые обеспечили бы большое усиление слабого периодического сигнала на фоне шума.
Используя математическую модель кольца ВЧ СКВИДа с одним джозефсоновским контактом (не обязательно туннельного типа), мы моделируем стохастическую динамику магнитного потока в этом кольце, находящемся под действием шума различной статистики и различных слабых периодических сигналов.
Для экспериментальных исследований мы построили низкотемпературную (гелиевого уровня) измерительную установку с самоэкранированными 3D тороидальными ВЧ СКВИДами, сделанными из массивного ниобия и включающими в себя подстраиваемые джозефсоновские контакты.
Ниже приведены некоторые из полученных результатов.

Стохастическое усиление слабых сигналов в ВЧ СКВИДе с контактом типа ScS при 0<T<T_c

СР в кольце ВЧ СКВИДа с точечным контактом околоатомного размера (atomic-size ScS) модифицируется с ростом температуры вследствие размытия энергетического барьера между соседними метастабильными токовыми состояниями кольца, что выражается в изменении в коэффициенте стохастического усиления слабого сигнала. При достаточно высокой температуре поведение кольца ScS-СКВИДа напоминает поведение кольца СКВИДа с туннельным (SIS) контактом.

O. G. Turutanov, V. Yu. Lyakhno, V. I. Shnyrkov.

Stochastic amplification of weak signals in an RF SQUID with ScS contact.

СР в ВЧ СКВИДе с шунтированным контактом типа ScS

Использование точечного (ScS) контакта околоатомных размеров (иначе – квантового точечного контакта, QPC) в кольце ВЧ СКВИДа гарантирует условия возникновения СР при любых, произвольно малых, значениях индуктивности кольца и критического тока джозефсоновского контакта в отличие от СКВИДов с туннельным (SIS) контактом. Это происходит благодаря необычному потенциальному барьеру между ямами с острой вершиной (при температуре, близкой к абсолютному нулю), который всегда имеет конечную высоту, делая таким образом ScS-СКВИД бистабильным.

O. G. Turutanov, V. A. Golovanevskiy, V. Yu. Lyakhno, V. I. Shnyrkov

Stochastic resonance in an RF SQUID with shunted ScS junction.

Physica A 396, 1 (2014)

arXiv

Вынужденные стохастические переходы в многоямном потенциале

В дополнение к обычному сценарию СР в бистабильной системе с гауссовым шумом, экспериментально наблюдались переходы между множественными метастабильными состояниями в многоямном потенциале кольца ВЧ СКВИДа под действием бинарного шума. Этот эксперимент можно интерпретировать как некую «шумовую спектроскопию» метастабильных состояний кольца СКВИДа с различными значениями захваченного магнитного потока.

О.Г. Турутанов, В.Ю. Ляхно, В.И. Шнырков

Экспериментальное наблюдение вынужденных стохастических переходов в многоямном потенциале кольца ВЧ СКВИДа.

ФНТ 40, 1312 (2014)

[Low Temp. Phys. 40, 1026 (2014)

] arXiv

Стохастико-параметрический резонанс

Численное решение уравнений Ланжевена для одноконтактного сверхпроводящего квантового интерферометра показывает, что кооперативное действие шума и периодического высокочастотного электромагнитного поля приводит к усилению слабого гармонического сигнала благодаря механизму стохастико-детерминистического резонанса, похожему на обычный эффект стохастического резонанса. Этот новый эффект, который мы назвали стохастико-параметрическим резонансом (СПР) дает возможность получать максимальное усиление при произвольно малом уровне шума.

О. Г. Турутанов, В. И. Шнырков, А. М. Глухов.

Стохастико-параметрическое усиление узкополосных сигналов в одноконтактном интерферометре СКВИДа.

Low Temp. Phys. 34, 37 (2008)

СР в связанных СКВИДах

Численное моделирование СР в адиабатическом приближении в передемпфироанных сверхпроводящих контурах, содержащих слабую джозефсоновскую связь показывает, что связывание отдельных колец в пару увеличивает усиление слабого синусоидального сигнала и отношение сигнал/шум. Эти результаты могут быть использованы для создания новых стохастических антенн СКВИДов для измерения гармонических и квазигармонических сигналов.

А.М. Глухов, О.Г. Турутанов, В.И. Шнырков, А.Н. Омельянчук.

Стохастический резонанс в сверхпроводящих контурах с контактами Джозефсона. Численный эксперимент.

ФНТ 32, 1477 (2006)

[Low Temp. Phys. 32 (2006)]

Стохастический усилитель для считывания состояния потоковых кубитов

Предложен полностью сверхпроводящий детектор на основе СР 4-терминального СКВИДа. Отсутствие высокочастотного и квазичастичного тока в цепи измерения кубита, слабо связанного с самим кубитом, обеспечивает маленькое обратное воздействие и предотвращает быструю декогеренцию кубита во время непрерывных нечетких измерений квантовых состояний.

O. G. Turutanov, V. I. Shnyrkov, A. N. Omelyanchouk

Stochastic amplifier based on superconducting interferometer with 4-terminal Josephson junction for flux qubit readout.

MSMW’07 Symposium Proceedings, Kharkov, Ukraine, p.822-824

Перестраиваемые стохастико-резонансные входные цепи СКВИДов

Потенциальный барьер между метастабильными состояниями кольца СКВИДа, содержащего 4-терминальную мезоскопическую слабую связь, определяется управляющим током, пропускаемым через два вывода этой 4-терминальной слабой связи. Это позволяет, в присутствии теплового или внешнего шума, построить новые сверхпроводящие СР-усилители с перестраиваемыми усилением и частотной полосой для входных цепей СКВИДов.

O. G. Turutanov, A. N. Omelyanchouk, V. I. Shnyrkov, Yu. P. Bliokh.

Stochastic resonance-based input circuits for SQUIDs.

Physica С 372-376, 237 (2002) и arXiv